引言目前，多旋翼飛行器由于構(gòu)造簡單、操作簡易，在影視媒體、物流傳輸、安全監(jiān)控等領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價值，是當(dāng)前研究的一個熱點。多旋翼飛行器不僅能夠完成飛行任務(wù)，而且可以完成航拍任務(wù)。一般的航拍系統(tǒng)模塊主要是采用傳統(tǒng)的模擬無線圖傳模塊，或者是近些年興起的WiFi模塊。然而模擬無線圖傳模塊不易數(shù)字化處理，WiFi網(wǎng)絡(luò)可控距離短，以上方案只適合在對實時性和可靠性要求不高的某些領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。隨著3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋越來越廣、4G網(wǎng)絡(luò)開始運營，使得3G/4G視頻傳輸系統(tǒng)在多旋翼飛行器上的應(yīng)用成為可能。1 多旋翼飛行器多旋翼飛行器的“多旋翼”是指飛行器支架由多個旋翼組成，比較常見的有四旋翼和六旋翼飛行器。多旋翼飛行器構(gòu)造簡單，支架一般為合金材料，質(zhì)量小，飛行時由于動力學(xué)原理，具有較好的穩(wěn)定性，所用能源為環(huán)保高能電池，飛行噪聲小，能夠垂直起降、穩(wěn)定飛行在狹小區(qū)域內(nèi)，并不受場地限制。正因為構(gòu)造簡單，硬件組裝和調(diào)試也更加簡易，初學(xué)門檻低，使得近些年來在航模和航拍領(lǐng)域流行起來。本方案采用的四軸飛行器又稱四旋翼飛行器，是多旋翼飛行器中構(gòu)造比較簡單的。四個螺旋槳呈十字形交叉，對角旋翼轉(zhuǎn)向相同，利用兩組螺旋槳為飛行器提供動力。飛行器主控實時檢測飛行器飛行姿態(tài)，利用PID調(diào)節(jié)算法和卡爾曼濾波算法調(diào)節(jié)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，從而使飛行器達(dá)到平穩(wěn)飛行的狀態(tài)。因為陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消，所以四旋翼能夠很好地平衡旋翼對機(jī)身的反扭矩，非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行。本系統(tǒng)飛行器主控采用STM32系列芯片，通過對外接的多種傳感器檢測，實時調(diào)整飛行器姿態(tài)，同時采用基于3G/4G網(wǎng)絡(luò)的3G/4G通信模塊進(jìn)行視頻傳輸。2 3G/4G視頻通話原理3G、4G都是指移動通信技術(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)的2G，3G采用了支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通信技術(shù)，3G的視頻通話是基于3G324M協(xié)議進(jìn)行的，該協(xié)議是一個無地址協(xié)議。3G324M指定了H.263作為強制基本標(biāo)準(zhǔn)，而把MPEG4作為視頻編碼推薦標(biāo)準(zhǔn)，AMR作為音頻編碼強制標(biāo)準(zhǔn)。[1]3G的理論傳輸速率高達(dá)幾百kbps，它的高速處理能力在圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式得到了體現(xiàn)。目前，3G用戶數(shù)量急速增長，人們利用3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行瀏覽網(wǎng)頁、視頻通話、電子商務(wù)等信息服務(wù)。3G技術(shù)成熟的同時，3G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也更加完善。目前，4G網(wǎng)絡(luò)開始運營，而且4G網(wǎng)絡(luò)具有更為強大的數(shù)據(jù)傳輸能力，其理論下載速率高達(dá)100 Mbps。在多旋翼飛行器的視頻傳輸系統(tǒng)中，4G網(wǎng)絡(luò)可以支持更高帶寬的實時數(shù)字視頻傳輸。3 系統(tǒng)組成本方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在多旋翼飛行器上，主要包含STM32微控制器構(gòu)成的飛行器主控板、飛行器外圍傳感器模塊、攝像頭、云臺、3G/4G模塊，地面端是智能手機(jī)控制平臺。飛行器主控采用STM32芯片主控制器。STM32系列芯片是基于ARM CortexM3內(nèi)核的一種專門為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的。本方案采用的是STM32增強型系列芯片，它所要處理的信息包括陀螺儀、角速率傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)、電調(diào)控制輸出、遙控器控制輸入及攝像頭云臺舵機(jī)控制輸出。以STM32為核心的飛行器主控主要實現(xiàn)三方面的功能：①實時采集飛行器各類傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過卡爾曼濾波處理后得到相應(yīng)的飛行姿態(tài)，并通過PID調(diào)節(jié)算法實時監(jiān)控和調(diào)整飛行器的飛行姿態(tài)使之平穩(wěn)飛行。②通過與SIM5215E模塊的串口連接實現(xiàn)對模塊的控制，包括啟動和停止等操作。③通過地面手機(jī)端接收畫面來調(diào)整搭載攝像頭的云臺，以調(diào)整航拍角度。攝像頭視頻信號通過固定在飛行器上的AK8856視頻編碼器編碼后，將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號，數(shù)字視頻信號通過SIM5215E模塊，直接發(fā)送至手機(jī)接收端。[2]外圍傳感器模塊主要包括陀螺儀、角速率傳感器、無刷電調(diào)、電機(jī)、GPS、遙控接收器、電池、攝像頭云臺、舵機(jī)等。飛行器飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)主要來源于陀螺儀二號角速率傳感器，電池、無刷電調(diào)以及電機(jī)為飛行器提供動力；GPS支持飛行器定點返航，無需手動參與；攝像頭云臺和舵機(jī)為支持視頻拍攝提供了角度切換的人性化操作。航拍攝像頭對鏡頭成像要求很高，一個航拍視頻的效果很大部分取決于所用的攝像頭質(zhì)量。普通的攝像頭不僅太笨重，而且不適合航拍。本方案的攝像頭采用了可光學(xué)變焦的攝像頭，機(jī)芯為SONY EFFIO方案700線機(jī)芯，D1畫質(zhì)，效果遠(yuǎn)超普通航模攝像頭。該攝像頭控制方式簡單，只需要連接收機(jī)控制，比例控制調(diào)焦，變焦精準(zhǔn)快速，從1倍到10倍只需3 s高速對焦與遙控手動對焦間自由切換。攝像頭開啟逆光補償，鏡片采用雙濾鏡鏡頭，日夜自動切換濾光片。光線充足時，使用不感紅外鏡頭，確保延時純正；光線不足時，自動切換感紅外鏡頭，保證夜視能力。本方案采用的3G模塊為SIM5215E。該模塊支持雙頻、四頻切換，兼容GPRS，功率只有0.25 W，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的無線圖傳模塊，工作電壓3.3～4.2 V，質(zhì)量僅有7 g，板載數(shù)碼攝像接口，可直接與攝像頭連接，并且支持MicroSD卡擴(kuò)展。在視頻傳輸之前，必須首先設(shè)置好傳輸視頻制式。視頻編碼器采用的是AK8856芯片。該解碼器支持將NTSC或PAL制式的復(fù)合視頻信號轉(zhuǎn)換為ITUR BT.601電平兼容的Y、Cb、Cr信號后，以601、VGA、CIF、QCIF和QVGA等格式輸出。支持字幕、VBID和WSS在視頻信號解碼中從外部讀出。3G/4G視頻傳輸模塊功能實現(xiàn)如圖2所示，視頻編碼器AK8856接收攝像頭數(shù)據(jù)，通過3G/4G模塊進(jìn)行視頻傳輸。該編碼器能夠直接將攝像頭的模擬視頻信號進(jìn)行處理，得到3G/4G模塊識別的數(shù)字信號，而這也是普通的無線圖傳模塊無法實現(xiàn)的。4 手機(jī)接收端應(yīng)用軟件實現(xiàn)本方案使用智能手機(jī)作為地面視頻接收和遙控的設(shè)備。手機(jī)接收端軟件是基于Android系統(tǒng)上的應(yīng)用，主要實現(xiàn)的是視頻通話和遙控功能。Android是Google公司發(fā)布的基于Linux平臺的開源移動操作系統(tǒng)名稱，也是目前最受歡迎的智能手機(jī)操作系統(tǒng)之一。手機(jī)接收端軟件實現(xiàn)總體框圖如圖3所示。手機(jī)接收端軟件提供了人性化的界面，支持各種操作，如局部放大、拍照保存等。軟件內(nèi)部包含面向3G模塊驅(qū)動、應(yīng)用層等接口，能夠與3G模塊直接進(jìn)行底層通信。手機(jī)自帶硬件視頻編碼和解碼器，能夠?qū)⒅悄苁謾C(jī)內(nèi)部的3G模塊接收到的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像在屏幕上顯示。手機(jī)接收端軟件功能流程如圖4所示。[3]結(jié)語經(jīng)過測試，本方案在保證飛行器的飛行穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)視頻傳輸?shù)膶崟r性和可控性。本方案還可以根據(jù)需要，為軟件增加一些新功能，例如增加飛行器的坐標(biāo)定位功能，通過智能手機(jī)設(shè)定自動航行路線。由于4G網(wǎng)絡(luò)較3G網(wǎng)絡(luò)具有更大的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，圖4手機(jī)接收端實現(xiàn)流程圖如果用4G模塊替換本方案中SIM5215E3G模塊進(jìn)行視頻傳輸，手機(jī)端將會接收到更為清晰的視頻。(mbbeetchina)